DE4108388A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen erfassung von mindestens zwei positionen eines schaltelementes - Google Patents

Einrichtung zur beruehrungslosen erfassung von mindestens zwei positionen eines schaltelementes

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berüh­ rungslosen Erfassung von mindestens zwei Positionen eines Schaltelementes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer besonderen Weiterbildung der Erfindung.
Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 31 38 827 vorbekannt. Dort handelt es sich um einen Gangwähler für hilfskraftbetätigte Getriebe. Mittels eines Schalthebels, der an seinem Kopf einen Magneten trägt, können verschiedene Schaltpositionen angewählt werden. Die Detektion dieser Positionen erfolgt über verschie­ dene magnetfeldempfindliche Sensoren. Die drehbare Lagerung des Schalthebels bedingt, daß sich der im Kopf des Hebels befindliche Magnet auf einer Bahn auf einer Kugelfläche bewegt. Die das Magnetfeld detek­ tierenden Sensoren sind auf einem als Halterung ausgebildeten Träger angeordnet, der so gekrümmt ist, daß in den verschiedenen Schaltpositionen zwischen Magnet und Sensor weitgehend ein äquidistanter Abstand existiert. Die Anschlüsse der Sensoren sind mit einer Platine verbunden, die auch andere elektronische Bauteile zur Auswertung der Sensorsignale trägt.
Bei der vorbekannten Einrichtung müssen die Anschluß­ drähte der auf der gekrümmten Halterung befindlichen Sensoren zur Platine geführt werden, was unterschied­ liche Längen der Anschlußdrähte der an sich als Standardbauteile ausgebildeten Sensoren bedeutet. Zum anderen verlangt die Verlegung der Anschlußdrähte von der Halterung zur ebenen Platine eine aufwendige Konstruktion und Montage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Konstruktion vereinfacht und die Montage der Sensoren erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sowie ein vorteil­ haftes Verfahren zur Herstellung einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Verwen­ dung von optischen oder magnetischen Leitelementen bewirkt wird, daß trotz der gekrümmten Fläche, die durch die Bewegung des Schaltelementes vorgegeben wird, alle schaltrelevanten Teile direkt auf der ebenen Platine eingebunden werden können. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn man gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren mit oberflächenmontierbaren Bauelementen in der sogenannten SMD-Technik (Surface Mounted Device) arbeitet. Während bei der Lochmontage die Bauteile von einer Leiterplattenseite bestückt und auf der anderen Seite gelötet werden, können die oberflächenmontierbaren Bauelemente auf beiden Seiten bestückt werden. Bohrungen in der Leiterplatte werden dann nur noch zum Durchkontaktieren benötigt.
Die Ausbildung der Leitelemente ist auf verschiedene vorteilhafte Weisen möglich. Im Fall der magnetischen Leitelemente können vorteilhaft ferromagnetische Flußleitbleche aus Weicheisenmaterial verwendet werden. Dabei ist die Querschnittsform der Flußleit­ bleche beliebig. Als magnetische Sendeelemente können beliebige Flußerzeugungsvorrichtungen verwendet werden, wie z. B. Elektromagnete oder Permanentmagnete.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dienen als Empfän­ ger magnetfeldempfindliche Sensoren, die als inte­ grierte Schaltkreise mit Hall-Generator ausgebildet sind.
Eine andere vorteilhafte konstruktive Weiterbildung besteht darin, als magnetische Leitelemente ferro­ magnetische Schrauben zu verwenden. Als Träger für die Schrauben kann z. B. ein Montagekörper dienen, welcher sich zwischen Sender und Empfänger befindet. Dieses Gehäuse ist gleichzeitig eine Abschirmung der Platine gegen äußere Störeinflüsse. Insbesondere kommen hier Störungen durch äußere elektromagnetische Felder und Störungen, die sich durch Verschmutzungen ergeben können, in Betracht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß durch die leichte Auswechselbarkeit der Leitelemente verschiedene geometrische Formen zum Einsatz kommen können, die es ermöglichen, die Schaltpositionen des Schaltelementes so zu variieren, daß die vom Sender oder Empfänger zu durchlaufende Bahn in ihrer Länge verkürzt oder verlängert werden kann. Die Möglichkeit der Verände­ rung der Bahn erlaubt es, die bei einer Grundkon­ struktion jeweils verschiedenen ergonomischen oder konstruktiven Gegebenheiten oder Anforderungen anpassen zu können.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung werden die optischen Leitelemente als Lichtfasern ausgebil­ det. Dabei können die optischen Leitelemente entweder aus einer Faser oder aus mehreren zu Bündeln zusammen­ gefaßten Fasern bestehen. Die Lichtfasern können in die Bohrungen eines Trägers eingebracht und dort vorzugsweise verklebt oder mittels eines härtbaren Harzes arretiert werden. Es besteht auch die Möglich­ keit, die zu Bündeln zusammengefaßten Lichtfasern mit einer Metallhülse zu umgeben, die ihrerseits ein Außengewinde aufweist, so daß die Möglichkeit des Einschraubens der optischen Leitelemente gegeben ist. Als optische Sendeelemente dienen Leuchtdioden oder Laserdioden. Die Übertragungsfrequenz ist dabei beliebig und wird einzig durch die Übertragungsfunk­ tion der Lichtfasern bestimmt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,
Fig. 2 den schematischen Feldlinienverlauf in der Nähe eines Leitelementes nach Fig. 1,
Fig. 3 das Prinzipbild eines weiteren Ausführungsbei­ spieles der Erfindung und
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Anwendungsbeispiel der Erfindung mit dem Prinzip gemäß Fig. 1.
Zur Verdeutlichung des bei der Erfindung benutzten Prinzips zeigt die Fig. 1 eine als Schalteinrichtung ausgebildete Einrichtung zur berührungslosen Erfassung von drei Positionen eines als Schalthebel (2) ausge­ bildeten Schaltelementes. Der Schalthebel (2) dient z. B. als Gangwähler für ein hilfskraftbetätigtes Getriebe eines Straßenfahrzeuges und ist mittels eines nicht dargestellten Schalthebelgriffes bewegbar.
Der Schalthebel ist an einem Ende mittels eines Kugelgelenkes (1) drehbar gelagert und innerhalb eines Schwenkbereiches (3) bewegbar. Außer der Mittelpo­ sition des Schalthebels (2) sollen auch die beiden Endpositionen (11) und (12) des Schalthebels (2) erfaßt werden. Für diese Positionserfassung ist ein als Permanentmagnet (4) ausgebildeter Sender an dem vom Kugelgelenk (1) abgewandten Ende des Schalthebels (2) angebracht. Den zu erfassenden Positionen des Schalthebels (2) sind als magnetfeldempfindliche Sensoren (8), (9), (10) ausgebildete Empfänger zuge­ ordnet, die auf einer Ebene und zwar auf einer Platine (7) angeordnet sind und immer dann ein Signal abgeben, wenn sie die Nähe des Permanentmagneten (4) fest­ stellen.
Die in Fig. 1 dargestellte äquidistante Anordnung der magnetfeldempfindlichen Sensoren (8), (9), (10) ist nicht zwingend und kann je nach konstruktiven Vorgaben oder Layout-Erfordernissen für die Platine variiert werden. Auf den magnetfeldempfindlichen Sensoren (8), (10) sind Leitelemente (5), (6) für den magnetischen Fluß angebracht. Diese Leitelemente (5), (6) weisen in ihrem oberen Bereich eine Abschrägung auf. Der Perma­ nentmagnet (4) beschreibt aufgrund der Kugelgelenk­ lagerung des Schalthebels (2) bei der Betätigung desselben eine sphärische Raumkurve. Diese Raumkurve ergibt in der Projektion gemäß Fig. 1 einen Kreisbahn­ ausschnitt mit einem vorgegebenen Schwenkbereich (3), der durch die Endpositionen (11) und (12) des Schalt­ hebels (2) begrenzt wird. In den Punkten, wo der Permanentmagnet (4) und ein Leitelement (5), (6) jeweils den kürzesten Abstand zueinander haben, verlaufen die Tangenten der Kreisbahn und die Ab­ schrägungen der Leitelemente (5), (6) im wesentlichen parallel zueinander.
Für die Endposition (12) ist in Fig. 2 der schematische Feldlinienverlauf des Permanentmagneten (4) wiederge­ geben. Diese Anordnung gemäß Fig. 2 stellt gleichzeitig die optimalste Position für die Auslösung eines Schaltvorganges dar. Die Feldlinien treten an der zum Leitelement (6) hin gewandten Seite des Permanent­ magenten (4) senkrecht aus und treten nach Durchlaufen eines minimierten Luftspaltes senkrecht in das Leit­ element (6) ein. Das Leitelement (6) wirkt auf die Feldlinien konzentrierend und richtungsbestimmend, so daß der magnetfeldempfindliche Sensor von einem hohen Magnetfluß durchsetzt wird. Diese Flußkonzentration bzw. -führung führt zu einem definierten Schalt­ verhalten des magnetfeldempfindlichen Sensors (8). Der Schaltimpuls des Sensors wird einer nicht darge­ stellten Auswerteelektronik zugeführt, die sich zum Teil auf der Platine (7) befindet. Die so verarbeite­ ten Schaltimpulse dienen z. B. zur hilfskraftbetätigten Umschaltung der Übersetzung eines Getriebes.
Analoge Überlegungen gelten für die Endposition (11) gemäß der Darstellung in Fig. 1. Insgesamt gilt für die in Fig. 1 dargestellte Erfassung von drei Positionen, daß für jede Position der Luftspalt, der einen hohen magnetischen Widerstand hat, minimiert wird. Die Anordnung ermöglicht eine Positionserfassung mit geringer Schalthysterese.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu Fig. 1 weisen die Leitele­ mente (15), (16) der Fig. 1 eine veränderte Geometrie auf. Da die grundlegende Funktionsweise der Einrich­ tung gemäß Fig. 3 gegenüber Fig. 1 gleich ist, sind gleiche Teile auch mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen. Die veränderte Geometrie der Leitelemente (15), (16) ermöglicht, daß durch die Schalthebelpositionen (13), (14) definierten Schwenkbereich (17) gegenüber den Schwenkbereich (3) in Fig. 1 zu verkürzen. Natür­ lich ist es auch möglich, den Schwenkbereich des Schalthebels (2) zu vergrößern. Unter Beibehaltung des Platinenaufbaus und der Kugellagerung des Schalthebels ist es somit möglich, verschiedene Raumkurven zu durchlaufen, die den unterschiedlichen konstruktiven Anforderungen gerecht werden. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, verschiedene Schaltgassen für einen Gangwählhebel vorzugeben.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung der Erfindung mit dem Prinzip gemäß Fig. 1 als Gangwähler eines hilfskraft­ betätigten Getriebes.
Zwischen einer Abdeckhaube (22) des Gangwählers und einem federzentrierten Schalthebel (18) ist ein Gummibalg (21) angeordnet, der in erster Linie den Gangwählerinnenraum vor Verunreinigungen schützt. Der Schalthebel (18) ist mittels eines Kugelgelenkes (23) gelagert. Das Kugelgelenk (23) wird durch einen Aufnahmerahmen (28) in seiner räumlichen Position fixiert. An einem Ende des Schalthebels (18) befindet sich ein Schalthebelgriff (19). Am anderen Ende des Schalthebels (18) befindet sich ein Permanentmagnet (29), der in einem Aufnahmeteil (20) fixiert ist. Das von dem Permanentmagenten (29) erzeugte Magnetfeld wird von magnetfeldempfindlichen Sensoren detektiert, die als integrierte Halleffektschalter (32), (34), (36) ausgebildet sind und löst einen Schaltvorgang im Kraftfahrzeuggetriebe aus. Die integrierten Hall­ effektschalter (32), (34), (36) sind mittels der SMD- Technik auf eine Platine (30) aufgebracht, die noch mit weiteren elektronischen Bauelementen bestückt ist. Wesentliche Vorteile der SMD-Technik gegenüber der bekannten Lochmontage sind die Miniaturisierung, die gesteigerte Zuverlässigkeit und die gesteigerte Wirtschaftlichkeit. Im Vergleich zur Lochmontage verfügen SMD-Baugruppen über verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften. Insbesondere bei dem Einsatz von integrierten Schaltung (ICs) in SMD-Bau­ weise ergibt sich eine Reduzierung des Platzbedarfes von bis zu 30% gegenüber der herkömmlichen Lochmon­ tage. Zwischen dem mit dem Permanentmagneten (29) bestückten Ende des Schalthebels (18) und der Platine (30) ist ein Montagekörper (24) angeordnet, der vorzugsweise aus Aluminium-Druckguß hergestellt ist.
Der Montagekörper dient als Träger für ferromagne­ tischen Schrauben (31), (33), (35), die die Funktion von magnetischen Leitelementen übernehmen. Der Mon­ tagekörper (24) wird in seinem unteren Bereich von einer Grundplatte (37) verschlossen. Die Grundplatte (37) trägt weitere senkrecht zu ihr angeordnete Platinen (25), (26) die mit weiteren elektronischen Bauelementen bestückt sind, deren schaltungstechnische Verknüpfung der Verarbeitung der Schaltsignale der integrierten Halleffektschalter (32), (34), (36) dient. Die von den Bauteilen auf der Platine (26) erzeugte Betriebswärme wird über Kühlrahmen (27) abgeleitet. Der Anschluß des beschriebenen Gangwählers an die zentrale Kraftfahrzeug-Bord-Elektrik erfolgt über Stecker (38), (39), die in der Grundplatte geführt sind.
Eine Betätigung des federzentrierten Schalthebels (18) führt dazu, daß sich das dem Schalthebelgriff (19) gegenüberliegende Ende des Schalthebels (18) und somit der Permanentmagnet auf einer sphärischen Raumkurve bewegt. Erreicht der Permanentmagnet (29) eine Posi­ tion, in der der Abstand zwischen dem Permanentmagne­ ten (29) und einer ferromagnetischen Schraube (z. B. 33) minimiert ist, so bewirkt die ferromagnetische Schraube (33) eine Konzentration des Magnetfeldes des Permanentmagneten (29). Diese Magnetfeldkonzentration bzw. magnetische Flußführung führt unter anderem dazu, daß der integrierte Halleffektschalter (34) definiert angesteuert wird. Die Magnetfeldkonzentration mittels der ferromagnetischen Schrauben (31), (33), (35) führt dazu, daß die Schalthysterese des Gangwählers so klein wie möglich gehalten wird.

Claims (17)

1. Einrichtung zur berührungslosen Erfassung von mindestens zwei Positionen eines Schaltelementes (2) mittels magnetisch oder optisch arbeitender Sender (4) und Empfänger (8), (9), (10), wobei entweder ein Sender (4) oder ein Empfänger mittels des Schaltelementes (2) in die zu erfassenden und mit zugeordneten Empfängern (8), (9), (10) oder Sendern versehenen Positionen bringbar ist mit folgendem Merkmal:
  • a) der vom Schaltelement (2) bewegbare Sender (4) bzw. Empfänger wird auf einer gekrümmten Fläche bewegt;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • b) die den zu erfassenden Positionen zugeordneten Empfänger (8), (9), (10) bzw. Sender sind auf einer Ebene angeordnet;
  • c) zwischen dem vom Schaltelement (2) bewegbaren und sich in einer zu erfassenden Position befindlichen Sender (4) bzw. Empfänger und dem zugeordneten Empfänger (8), (9), (10) bzw. Sender sind Leitelemente (5), (6) für magneti­ schen Fluß oder Licht angeordnet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Leitelemente ferromagnetische Schrauben (31), (33), (35) verwendet werden, die in einem Träger (24) eingebracht sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Leitelemente Lichtfasern ver­ wendet werden, die in einem Träger eingebracht sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zwischen der gekrümmten Fläche und der Ebene angeordnet ist und zur Aufnahme der Leitelemente dient.
5. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein Montagekörper (24) dient.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Montagekörper (24) zur Abschirmung außerer Störeinflüsse dient.
7. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Licht­ fasern mittels einer Hülse zusammengefaßt werden.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse aus einem Metall oder einem Kunststoff besteht und ein Außengewinde aufweist.
9. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse mit den optischen Leitelementen in den Träger einge­ schraubt wird.
10. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magne­ tische Empfänger ein magnetfeldempfindlicher Sensor ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der magnetfeldempfindliche Sensor als integrierter Schaltkreis mit Hall-Generator (32), (34), (36) ausgebildet ist.
12. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein lichtempfindlicher Sensor ist.
13. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2, 5, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein Permanentmagnet (29) ist.
14. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode ist, die elektromagnetische Strahlung beliebiger Frequenz aussendet.
15. Einrichtung nach wenigstens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene in einer mit elektrischen Bauelementen bestückten Platine (30) verläuft.
16. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender und Empfänger mittels der SMD-Technik auf die Platine aufgebracht werden.
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